Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ІЩШНДРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 16
2. МЕТОД И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 34
2.1. Постановка задачи 34
2.2.Основные уравнения линейной теории тонкостенных оболочечных конструкций36
2.3. Сведение основных соотношений для оболочек к обыкновенным дифференциальным уравнениям 44
2.4. Разложение функций внешних нагрузок в ряды Фурье 46
2.4.1. Нагрузки на цилиндрические элементы сосуда 46
2.4.2. Нагрузки на эллиптические днища сосуда 51
2.5. Метод решения задачи о расчете напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических сосудов 57
2.6. Алгоритм расчета 62
2.6.1. Формирование матрицы начальных условий 65
'2.6.2. Прямая ортогональная прогонка 65
2.6.3. Определение постоянных интегрирования 68
2.6.4. Обратная прогонка 69
2.7. Программное обеспечение метода расчета 70
2.8. Тестирование программного обеспечения 74
2.9. Испытания программного обеспечения 82
2.9.1. Резервуар, полностью заполненный жидкостью 84
2.9.2. Резервуар под действием собственного веса 87
2.9.3. Резервуар под действием ветровой нагрузки 87
2.9.4. Резервуар, частично заполненный жидкостью 90
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ МЕТОДАМИ
ФИЗИЧЕСКОГО И ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 97
3.1. Физический эксперимент 97
3.1.1. Методика исследования 97
3.1.2. Обработка экспериментальных данных 101
3.1.3. Результаты экспериментальных исследований
и их анализ 103
3.2. Численный анализ напряженно-деформированного
состояния цилиндрических резервуаров 111
3.2.1. Методика исследования 111
3.2.2. Результаты численного эксперимента
и их анализ 116
ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНРІЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ
РЕЗЕРВУАРОВ 127
4.1. Постановка задачи оптимального проектирования 127
4.2. Решение задачи оптимального проектирования 132
ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА ОПТІШАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ 148
5.1. Постановка задачи 148
5.2. Методика оптимального проектирования резервуаров 149
5.2. Пример оптимального проектирования резервуара 154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 161
ПРИЛОЖЕНИЯ 175
Приложение 1. Точки равномерно распределенной .
последовательности 176
Приложение 2. Программа расчета координат точек
равномерна распределенной последовательности 182
Приложение 3. Программа расчета напряженно-
деформированного состояния горизонтально-цилиндрических
резервуаров на селловых опорах 186
Приложение 4. Технико-экономическая документация
по внедрению результатов работы 200
Введение к работе
Современная стратегия экономической реформы и перехода к рыночным отношениям ставит перед машиностроением задачу эффективного использования основных фондов, изготовления оборудования о наименьшими затратами. Рынок жестко регулирует взаимоотношения между изготовителем и потребителем. В настоящее время еще существует монополизм при изготовлении продукции производственно-технического назначения и товаров народного потребления. Но сокращение выпуска ряда оборудования военно-промышленным комплексом заставит эти предприятия искать новые сферы производства, и соответственно появится конкуренция на рынке сбыта, что определит новый этап в развитии машиностроения, связанный с настоятельной необходимостью быстрого совершенствования технических характеристик изделий, повышения их качества.
Одним из важнейших типов оборудования, широко распространенным в химической, нефтехимической, пищевой и многих других отраслях промышленности является емкостная аппаратура горизонтального типа: резервуары, сборники, химические реакторы, газгольдеры и т.п. Такое оборудование предназначено для хранения, переработки и транспортировки химических, пищевых и других жидких продуктов, как правило,под достаточно высоким избыточном давлением. Условия эксплуатации оборудования в ряде случаев могут быть достаточно жесткими. На рис.1 в качестве примера представлен резервуар для хранения и транспортировки горюче-смазочных материалов, применяемый в спецтехнике. Корпус резервуара установлен на двух седловых опорах (ложементах) . Транспортируемая жидкость находится под избыточным давле A-A
О
Puc.1. Резербуар для хранения и транспортировки горвчі-сназочних иатершшб.
ниєм, величина которого может составлять 0.2 МПа и более. Транспортировка продукта, как правило, производится по пересеченной местности, вследствие чего интенсивность динамической составляющей механической нагрузки может быть достаточно высокой. Поскольку к материалоемкости резервуара предъявляются повышенные требования, он выполнен из алюминиевого сплава. Повышенные требования предъявляются также к прочности и жесткости конструкции.
Удовлетворение потребностей народного хозяйства в емкостной аппаратуре при непрерывном повышении качества изделий может быть обеспечено на основе выполнения ряда мероприятий по исследованию, разработке и освоению новых конструкций. Одним из факторов, определяющих реализацию условий успешного решения этих задач при обеспечении работоспособности и надежности оборудования, является разработка и внедрение новых прогрессивных методов и алгоритмов расчета на прочность и оптимального проектирования.
Многие технологические процессы в химической и смежных с ней отраслях промышленности предъявляют повышенные требования к конструкционным материалам. Емкостная аппаратура зачастую изготавливается из дорогостоящих и дефицитных высоколегированных сталей. Вместе с тем, отечественный и зарубежный опыт показывает, что значительное количество никелесодержащих сталей и дефицитных цветных металлов можно в ряде случаев с успехом заменить алюминием и его сплавами [45]. Однако широкое применение алюминиевых сплавов, обладающих склонностью к хрупкому разрушению при динамических нагрузках, сдерживается отсутствием руководящих нормативных материалов по конструированию и изготовлению емкостной аппаратуры, основанных на уточненных методак прочностного расчета элементов оборудования. При
проектировании оборудования из алюминия и его сплавов расчеты на прочность выполняются в соответствии с нормативно-техническими документами, действующими на предприятиях химического и нефтяного машиностроения, в частности, по ГОСТ 25158-84. Однако существующие нормативные методики расчета основываются на приближенных расчетных схемах и в ряде случаев не учитывают реальные условия работы элементов конструкций Г79]. На практике это приводит к завышению коэффициентов запаса прочности и, соответственно, к увеличению материалоемкости изделий. Для ряда конструкций инженерные методики расчета на прочность вообще отсутствуют. Например, при проектировании колонных аппаратов из алюминия на практике в ряде случаев копируются конструкции стальных колонн без учета механических и технологических свойств материала.
Сложность конструктивных форм, специфические условия эксплуатации предъявляют к расчетам емкостной аппаратуры своеобразные и повышенные требования. Увеличение рабочих параметров агрегатов при одновременном снижении материалоемкости оборудования приводит к существенному повышению уровня напряженного состояния элементов конструкций. Необходимость обеспечения работоспособности и надежности емкостной аппаратуры определяет актуальность проблемы расчетной оценки несущей способности элементов конструкций, работающих в сложных условиях эксплуатации.
При проектировании аппарата основной задачей, поставленной перед конструктором, является выбор конструктивных параметров изделия, обеспечивающих его высокую эффективность (минимальную материалоемкость, достаточный запас прочности и жесткости, низкую себестоимость и т.д.). Разработка любого изделия представляет собой циклический итерационный процесс, при котором конструктор рассматривает
ряд вариантов изделия, сравнивает их по выбранным критериям эффективности, выполняет оценочные расчеты. При разработке достаточно сложных изделий на практике обычно рассматривают не более 2-3 вариантов конструкции введу ограничений по времени при выполнении трудоемких расчетов Наиболее трудоемкими являются расчеты, связанные с оценкой работоспособности конструкций. Выполняя расчеты на прочность, конструктор в большинстве случаев использует упрощенные расчетные схемы. Так при расчете на прочность горизонтальных цилиндрических сосудов и аппаратов в практике проектирования часто используют балочную математическую модель, в которой не учитывается реальная геометрия конструкции, неосесимметричный характер ее нагру-жения и ряд других факторов. Большой опыт разработки изделий этого типа позволяет создавать работоспособные конструкции, однако вопрос о возможности повышения их эффективности остается открытым. Ввиду отсутствия точных и доступных широкому кругу пользователей методов расчета на прочность горизонтальных резервуаров конструктор вынужден назначать завышенные коэффициенты запаса прочности, что приводит к увеличению металлоемкости конструкций перерасходу дефицитных материалов, повышенным энергетическим затратам. Поэтому одним из существенных условий снижения материалоемкости оборудования является разработка и внедрение в практику проектирования уточненных норм расчета на прочность [92].
В последнее время возникла острая проблема прогнозирования и обеспечения остаточного технического ресурса оборудования, связанная с истечением нормативного срока его эксплуатации. Особый интерес представляет проблема прогнозирования индиввдуального ресурса аппаратов по результатам наблюдений за их состоянием в процессе
эксплуатации. Практическое значение проблемы весьма велико. Во многих отраслях промышленности фактический ресурс оборудования еще не достигает предельных значений. Повышение ресурса приведет к существенной экономии материалов, энергетических и трудовых затрат. Для вынесения обоснованных решений о возможности дальнейшей эксплуатации оборудования без перерывов на капитальную реконструкцию необходима иметь достаточную информацию о его техническом состоянии. Такая информация (данные о дефектах, возникших в процессе эксплуатации, фактических нагрузках и других условиях взаимодействия объекта с внешней средой) может быть получена с помощью средств технической диагностики. На основании этих данных могут быть построены физические модели элементов оборудования, более полные и точные, чем априорные расчетные схемы, обсуждаемые на стадии проектирования. Для обоснованной оценки остаточного ресурса необходимо располагать достоверными результатами численного анализа напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на основе уточненных физических моделей. Решение этой задачи может быть получено лишь при наличии точных методов расчета на основе математических моделей высокого уровня.
В связи с требованиями снижения материалоемкости оборудования и повышения его надежности при непрерывном росте рабочих параметров химика-технологических систем и агрегатов особое значение наряду с проблемой обоснования несущей способности и ресурса приобретают вопросы, связанные с постановкой и решением задач оптимального проектирования на основе систематического исследования характерных особенностей работы конструкций методами физического и численного эксперимента.
Оперативное решение трудоемких задач анализа напряженно-деформированного состояния элементов оборудования на основе математических моделей высокого уровня с учетом конкретных условий эксплуатации, достоверная и надежная оценка их несущей способности, поиск оптимальных проектных решений возможны лишь при помощи современной вычислительной техники, современных средств и методов программирования [89]. Возникает настоятельная необходимость в разработке математических моделей, методов и алгоритмов решения инженерных задач, адекватно отражающих реальные условия работы оборудования, учитывающих возможности современных ЭВМ и позволяющих достигнуть новых рубежей точности, универсальности, степени полноты и надежности получаемых результатов. Актуальной становится задача численной реализации новых методов расчета, создания математического и программного обеспечения для ЭВМ. Следует отметить, что при компьютерном анализе работы исследуемых конструкций необходимо рассматривать Есе этапы исследования: построение математической модели, разработку метода и алгоритма, математического и программного обеспечения, численный счет и анализ результатов как звенья единой цепи и учитывать связи между ними. Только при таком условии можно получить эффективное решение задачи.
Применение методов численного анализа и ЭВМ дает наибольший эффект, когда от автоматизации решения отдельных инженерных задач переходят к комплексной автоматизации процесса проектирования на основе создания и использования систем автоматизированного проектирования (САПР) Е51]. Применение таких систем позволяет существенно повысить технический уровень и качество проектных решений, сократить сроки разработки и освоения изделий новой техники. Основное преимущество и высокая эффективность САПР обусловлены прежде всего
тем, что о их помощью становится практически осуществимым оптимальное проектирование, т.е. поиск наилучшего в определенном смысле варианта среди множества возможных. Именно за счет оптимизации конструкций путем синтеза и анализа математических моделей может быть получен наибольший экономический эффект при разработке и внедрении новой техники.
Создание САПР является исключительно сложной, трудоемкой и многогранной задачей и предусматривает прежде всего разра;ботку специального программного обеспечения модульной структуры, включающего в себя комплексы прикладных программ целевого назначения. От характеристик специального программного обеспечения определяющим образом зависят возможности САПР при решении проектных задач. В связи с этим разработка методов и алгоритмов расчета и оптимального проектирования элементов оборудования на основе математических моделей высокого уровня и их реализация в виде программных комплексов для САПР приобретает большое значение.
В соответствии с изложенным целью настоящей работы является:
- разработка метода и алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных тонкостенных цилиндрических резервуаров, основанных на математических моделях высокого уровня;
- численная реализация метода расчета напряженно-деформированного состояния резервуаров, связанная с разработкой программного обеспечения на ЭВМ;
- проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований для обоснования математических моделей, проверки их адекватности, оценки степени точности и надежности метода и алгоритма численного расчета;
- систематическое исследование напряженно-деформированного состояния резервуаров методами численного и физического эксперимента;
- постановка и решение задачи параметрической оптимизации горизонтальных тонкостенных резервуаров;
- разработка инженерной методики оптимального проектирования резервуаров.
В первой главе диссертации приведен обзор публикаций, посвященных исследованию напряженно-деформированного состояния и расчету на прочность горизонтальных щшгадрических аппаратов.
Вторая глава посвящена разработке метода и алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических аппаратов с эллиптическими днищами, установленных на седлоЕых опорах. Решение задачи строится на основе общей моментной теории тонкостенных оболочек вращения с применением метода тригонометрических функций и метода ортогональной прогонки. Приведено описание программного обеспечения, а также результаты его тестирования и испытаний.
В третьей главе диссертации приведено описание методики экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния опытного образца резервуара, применяемого для этой цели оборудования и приборов. Представлены результаты физического эксперимента, дан их анализ. Изложена методика и представлены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния резервуаров в широком диапазоне изменения конструктивных параметров.
Полученные результаты используются в четвертой главе при постановке и решении задачи оптимального проектирования горизонтальных тонкостенных резервуаров. Решение задачи параметрической оптимизации строится на основе метода направленного сканирования пространс
тва проектирования на детерминированной сетке с использованием равномерно распределенной последовательности пробных точек.
В пятой главе диссертации изложена инженерная методика оптимального проектирования горизонтальных тонкостенных резервуаров. На конкретном примере показана эффективность предложенной методики.
Выполненные в настоящей работе исследования позволили получить ряд новых научных результатов.
На основе моментной теории тонких оболочек вращения разработаны метод и алгоритм расчета напряженно-деформрірованного состояния горизонтальных цилиндрических резервуаров с эллиптическими днищами с учетом сил контактного взаимодействия корпуса сосуда с ложементами; методами численного эксперимента исследованы характерные особенности работы конструкций; сформулирована и решена задача параметрической оптимизации резервуаров; разработана инженерная методика оптимального проектирования.
Обоснованность научных результатов определяется тем, что в работе использованы известные теоретические положения механики твердого деформируемого твердого тела. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным согласованием данных численного, анализа работы опытного образца аппарата с экспериментальными данными, а также совпадением решения ряда модельных задач предложенным методом с известными решениями.
На защиту выносятся:
- метод и алгоритм автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических резервуаров с эллиптическими днищами, установленных на седловых опорах;
- результаты исследования методом численного эксперимента напряженно-деформированного состояния резервуаров в широком диапазоне конструктивных параметров;
- метод решения задачи параметрической оптимизации резервуаров по критерию материалоемкости на основе направленного сканирования пространства проектирования с использованием равномерно распределенной последовательности пробных точек;
- инженерная методика оптимального проектирования горизонтальных цилиндрических резервуаров.
Диссертация обобщает результаты ряда научно-исследовательских работ, выполненных на Моршанском заводе химического машиностроения под руководством и при личном участии автора в соответствии с Коор-динационным планом "Создание нормативно-технической документации по ф расчету и изготовлению аппаратов из алюминия и его сплавов"; целевой научно-технической программой "Создание производств по получению крепкой азотной кислоты". Тема 0156-85-540.
К данному циклу относятся также научно-исследовательские работы, выполненные по планам важнейших НИР Моршанскхиммаша:
"Метод расчета напряжений в местах пересечения патрубков с обечайкой и днищами"; комплексный п ан Союзхиммаша на 1980 год.
"Сосуды и аппараты алюминиевые горизонтальные, устанавливаемые на опоры (нормы и методы расчета)"; тема 1206-88-422
"Исследование физико-механических свойств алюминия и его сплавов". Тема 1206-88-531.
Материалы диссертации докладывались на 46-ой научно-технической 0Г конференции Московской государственной академии химического маши-. ностроения.
Все основные результаты, представленные в настоящей работе, получены лично автором.
